کمپرسورهای پیستونی

bellows compressor - hermetic vacuum pump كمپرسورهاي تناوبي (Reciprocating) كه رفت و برگشتي نيز ناميده مي‌شوند، يكي از قديمي‌ترين انواع كمپرسورها مي‌باشند. اولين نمونه‌هاي اين كمپرسورها با سيلندر چوبي (مثلاً از جنس بامبو Bamboo) ساخته شده و پيستون آن به وسيله نيروي انساني (دستي) عقب و جلو برده مي‌شد. آب بندي پيستون توسط پر پرندگان صورت مي‌گرفت تا از اين طريق در مرحله مكش هوا وارد كمپرسور شده و در مرحله تراكم از آن خارج شود. از اين كمپرسور غالباً براي ذوب فلزات استفاده مي‌گرديد. براساس شواهد تاريخي يونانيان در ۱۵۰ سال قبل از ميلاد مسيح توانستند كمپرسورهاي فلزي بسازند كه در آن از آلياژهاي برنزي استفاده شده بود. بهرحال در ساختار اين كمپرسورها تا قرن هيجدهم ميلادي پيشرفت چنداني صورت نگرفت تا اينكه يك مهندس انگليسي به نام" J.Wilkison" كمپرسوري را طراحي كرد كه شبيه كمپرسورهاي امروزي بوده و سيلندر آن از چدن ريخته‌گري ساخته و ماشين كاري شده بود.

كمپرسورهاي تناوبي عموماً براي دبي كم و فشار زياد مورد استفاده قرار مي‌گيرند. دبي گاز در اين نوع كمپرسورها از مقادير كم تا ۲۰۰۰ m³/hrمي‌رسد و با آن مي‌توان به فشارهاي زياد (تاbar ۶۰۰) دست يافت. در نسبت‌هاي تراكم بالاتر از ۵/۱ در هر مرحله اين كمپرسورها در مقايسه با ساير انواع كمپرسورها از راندمان بالاتري برخوردار مي‌باشند. كمپرسورهاي تناوبي اساساً جزء ماشين هاي با ظرفيت ثابت مي‌باشند ولي در شرايط خاصي مي‌‌توان ظرفيت آن را برحسب شرايط مورد نظر تغيير داد.

در كمپرسورهاي پيستوني با حركت پيستون به سمت عقب گاز به درون سيلندر وارد شده و فضاي درون سيلندر را پر مي‌كند. در حركت رو به جلو، با اعمال نيرو از سوي پيستون گاز حبس شده در سيلندر متراكم مي‌گردد. جهت سهولت در ورود و خروج گاز در سيلندر و ايجاد شرايط لازم براي تراكم آن در حركت روبه جلوي پيستون، اين كمپرسورها مجهز به سوپاپ‌هاي مكش و دهش مي‌باشند. جهت شناخت مقدماتي عملكرد كمپرسورهاي پيستوني مي‌توان تلمبه‌هاي باد دستي را مورد بررسي قرار داد، چرا كه اين تلمبه‌ها ضمن سادگي در رفتار داراي تمامي مشخصه‌هاي يك كمپرسور پيستوني مي‌باشند.

تلمبه‌ها شامل پيستون، سيلندر و سوپاپ هاي مكش و دهش بوده و نيروي محركه لازم براي تراكم هوا توسط نيروي انساني تأمين مي‌گردد. سوپاپ دهش اين كمپرسورها همان والو (Valve) لاستيك دو چرخه بوده كه مانع از نشت هوا از لاستيك ( قسمت دهش) به دورن تلمبه در هنگام حركت رو به عقب پيستون ( مرحله مكش) مي‌گردد. سوپاپ مكش اين تلمبه‌ها بر روي پيستون آن نصب گرديده است. اين قطعه به صورت فنجاني شكل (Cup _ Shaped) بوده كه از جنس چرم و يا مواد مشابه آن ساخته شده است.

در حالت مكش، در اثر حركت رو به عقب پيستون، هواي جلوي پيستون منبسط شده و درون سيلندر خلاء ايجاد مي‌شود. با توجه به اينكه هواي سمت بيروني پيستون تحت فشار آتمسفر قرار دارد، همين امر باعث جداشدن قطعه چرمي از كناره سيلندر گرديده و هوا مي‌تواند از اين طريق وارد سيلندر شده و آن را پرنمايد.

در حركت رو به جلوي پيستون، با كاهش حجم گاز، فشار گاز درون سيلندر افزايش يافته و نيروي حاصل از آن بر روي قطعه چرمي اثر نموده و باعث چسبيدن آن به كناره پيستون گرديده و موجب آب‌بندی پيستون شده و مانع از نشت گاز از كناره پيستون به خارج مي‌شود.

با تراكم گاز در سيلندر و افزايش فشار هواي حبس شده در آن، لحظه‌اي فرا مي‌رسد كه فشار درون سيلندر، از فشار درون تيوپ لاستيك بيشتر شده و باعث باز شدن سوپاپ لاستيك گرديده و هواي متراكم شده از درون سيلندر به داخل لاستيك فرستاده مي‌شود. بديهي است هرچه فشار درون لاستيك بيشتر باشد، سوپاپ آن ديرتر باز شده و انرژي بيشتري براي تراكم گاز و ارسال آن به داخل لاستيك مورد نياز مي‌باشد. به عبارت ديگر اگر مقاومتي در جلوي تلمبه نباشد و مستقيماً به آتمسفر متصل باشد، براي تخليه گاز از درون تلمبه به انرژي ناچيزي نياز خواهد بود.

کمپرسورهای اسکرو

در این کمپرسور ها دو روتور با پروفیل های متفاوت داخل یک اتاقک با جهت های متفاوت می چرخند .روتور اصلی ٨۵% تا ۹۰% انرژی دریافتی را به انرژی گرمایی و فشار تبدیل می کند. با چرخش مداوم روتورها هوای محبوس شده با کاهش حجم افزایش فشار می یابد . در تمام مراحل روغن وارد فضای بین پره ها می شود ( در نوع روانکاری با روغن ). این روغن وظیفه روان کاری و خنک کردن روتور ها را عهده دار است .

مرحله اول

هوا به داخل قسمت روتورها کشيده می شود وفضای بين پره ها را پر می کند اين قسمت مانند مرحله مکش در کمپرسور های پيستونی می باشد

مرحله دوم و سوم

هنگامی که هوا وارد قسمت فشرده سازی شد با چرخش روتورها حجم آن کم می شود و بنا بر این فشار افزایش می یابد. این کم شدن حجم تا قسمت تخلیه هوا ادامه می یابد تا فشار به مقدار دلخواه برسد

مرحله چهارم

هوای فشرده به بیرون کمپرسور جریان می یابد

اجزا کامل يک کمپرسور اسکرو در شکل زير ديده می شود

دسته‌بندي كمپرسورها از نظر نحوه روغن‌كاري شدن

منظور از روغن‌كاري شدن، تماس روغن با گاز در محفظه تراكم مي‌باشد. بر اين اساس كمپرسورها را مي‌توان به دو دسته خشك یا فاقد روغن (Dry or Oil Free) و روغن كاري شونده (Lubricated) تقسيم كرد.

در كمپرسورهاي خشك، محفظه تراكم از قسمت انتقال قدرت كاملاً جدا بوده و لذا عملاً گاز مورد تراكم هيچگونه تماسي با ماده روان‌كننده ندارد.

در كمپرسورهاي از نوع پيستوني روان‌كاري شونده، اختلاط روغن با گاز مورد تراكم ناخواسته و از طريق نشت روغن از كارتل به بالاي پيستون ها و از كناره رينگ ها صورت مي‌گيرد.

در كمپرسورهاي از نوع دوراني روانكاري شونده اختلاط روغن با گاز مورد تراكم به طور عمدي صورت مي‌گيرد. در اين دسته از كمپرسورها روغن تحت فشار گاز خروجي از كمپرسور به محفظه تراكم فرستاده شده و ضمن اختلاط با گاز مورد تراكم عمليات روانكاري، خنك‌كاري و كاهش نشتي گاز از لقي موجود در بين قطعات را به‌عهده دارد. روغن مخلوط شده با گاز مورد تراكم در تله جدا كننده روغن (Oil Separator) از آن جدا شده و بعد از خنك‌كاري، به محفظه تراكم برگشت داده مي‌شود. امروزه با وجود مشكلات و مسائل متعددي كه در زمينه بهره‌برداري از كمپرسورهاي خشك، وجود دارد در بسياري از موارد شرايط بهره‌برداري و مشخصه‌هاي فيزيكي و شيميايي گاز مورد تراكم ايجاب مي‌كند كه عمل تراكم گاز در محفظه تراكم، در غياب روغن صورت پذيرد.

تولید اكسيژن، صنايع غذايي و دارويي، تراكم بسياري از گازهاي مورد استفاده در صنايع پتروشيمي و ... نمونه‌هايي از صنايعي بوده كه نسبت به حضور روغن در گاز مورد تراكم حساس مي‌باشند. هر چند كه كمپرسورهاي گريز از مركز، ذاتاً فاقد روغن
(Oil Free) مي‌باشند ولي در كمپرسورهاي رفت و برگشتي و دوراني با اعمال تدابير لازم مي‌توان مانع از حضور روغن در محفظه تراكم شد. كمپرسورهاي خشك هر چند كه از نظر حداكثر دماي قابل تحمل در محفظه تراكم، در مقايسه با كمپرسورهاي روانكاري شونده داراي مزيت هایی می باشند (دماي مجاز در آن در حدود ۳۰ تا ٧۰ درجه سانتيگراد از دماي مجاز در كمپرسورهاي روانكاري شونده بيشتر است) و به همين خاطر نسبت تراكم بالاتري را در هر مرحله از اين كمپرسورها مي‌توان پيش‌بيني كرد ولي به‌لحاظ قيمت بالاتر، هزينه‌هاي تعمير و نگهداري بيشتر، پايين‌ بودن راندمان، قابليت اعتماد كمتر و ... امروزه به جز در موارد اجباري حتي الامكان سعي مي‌شود از كمپرسورهاي خشك استفاده نشود. ویژگي‌هاي نامطلوب كمپرسورهاي خشك باعث شده تا امروزه نگرش جديدي در اين زمينه مطرح شود و آن عبارتست از تزريق روغن به مقدار بسيار كم (در حد چند ppm) با سازگاري لازم گاز مورد تراكم در حضور روغن، حتي به مقدار ناچيز، موجب بهبود نسبي در عملكرد كمپرسورهاي خشك مي‌گردد.

در كمپرسورهايي كه به‌صورت خشك طراحي مي‌شوند لازم است تا قطعاتي كه در معرض سايش قرار دارند از كيفيت مطلوب‌تري در مقابل اصطكاك و عوارض ناشي از آن برخوردار باشند.

موادي نظير تفلون گرافيتي، گرانيت و ... به عنوان مواد اوليه با ضريب اصطكاك پايين، خاصيت خود روانكاري و ... جزو تركيبات مطلوب در ساخت رينگ هاي هادي و تراكم در كمپرسورهاي پيستوني و به عنوان ماده پوشش دهنده در ساخت روتور كمپرسورهاي اسکرو، شديداً مورد توجه مي‌باشند.

دسته‌بندي كمپرسورها از نظر آب بندی محور

مبناي اين دسته‌بندي، وضعيت آب بند كردن محور، مي‌باشد. كمپرسورها را از اين نظر مي‌توان به سه دسته تقسيم‌بندي كرد:

كمپرسورهاي بسته (Hermetic)

در اين دسته از كمپرسورها، كه عموماً براي سيستم‌هاي تبريد با ظرفيت كم (حداكثر ۲۰ تن تبريد) مورد استفاده قرار مي‌گيرند، الكتروموتور و كليه قطعات مربوط به كمپرسور، در درون يك محفظه كاملاً آب بند شده قرار داده مي‌شود. اساساً اين كمپرسورها به‌صورت يكبار مصرف، طراحي شده و تعمير‌ آن از نظر فني و اقتصادي توصيه نمي‌شود.

متأسفانه گاهي اوقات اين توصيه در ايران ناديده گرفته شده و بعضي از تعميركاران اقدام به تعمير آن مي‌كنند، كار چندان اصولي نمي‌باشد. البته تفاوت شرايط اقتصادي و اجرت تعميرات درايران با كشورهای صنعتي عامل اصلي اين نگرش مي‌باشد.

كمپرسورهاي نيمه بسته( Semi- hermetic)

كمپرسورهاي نيمه بسته را بايد نوعي كمپرسور بسته به حساب آورد، با اين تفاوت كه قسمت‌هاي سوپاپ، پيستون، ميل‌لنگ، پمپ روغن و ... آن قابل تعمیر مي‌باشند. اين كمپرسورها تمامي ويژگي‌هاي كمپرسورهاي بسته را از نظر آب بند بودن و عدم نشت گاز به بيرون دارا مي‌باشند. از اين كمپرسورها براي سيستم‌هاي تبريد در ظرفيت‌هاي ۲۰ تا ۱۵۰ تن تبريد استفاده مي‌شود.

كمپرسورهاي باز( Open)

در اين نوع كمپرسورها محور كمپرسور از كارتر و يا محفظه تراكم خارج گرديده و به‌طور مستقيم و يا غيرمستقيم (به كمك پولي) راه اندازي مي‌شوند. اساساًً اين كمپرسورها براي تمامي موارد (از ظرفيت كم تا بسيار زياد) مناسب بوده و تنها نقطه ضعف آن در مقايسه با دو طرح قبلي احتمال نشت گاز مورد تراكم از محل خروج شافت بوده كه آن هم با انتخاب سيستم آب بندی مناسب قابل حل مي‌باشد

دسته بندی کمپرسورها بر حسب فشار مکش ، دهش ، و ظرفیت آنها

پمپ خلا (Vacumm Pumps)

برخلاف اسم آن، در واقع پمپ هاي خلا نوعي كمپرسور بوده كه فشار قسمت مكش آن از فشار جو كمتر و فشار دهش آن اندكي از فشار جو بيشتر مي‌باشد. پمپ هاي خلا در طرح هاي مختلفي ساخته شده كه داراي قابليت‌هاي ذیل مي‌باشند:

گريز از مركز حداكثر خلا قابل دسترس 6mmHg

تناوبي حداكثر خلا قابل دسترس 0.5mmHg

انژكتورهاي بخاري حداكثر خلا قابل دسترس mmHg 0.05

دوراني حداكثر خلا قابل دسترس mmHg 0.00005

در بين طرح هاي فوق پمپ هاي خلا از نوع دوراني از مقبوليت بيشتري برخوردار مي‌باشند.

هواكش‌ها ( fans)

اين نوع كمپرسورها عموماً براي دبي زياد و فشار كم ( تا ۱∕۰بار) ساخته شده و عموماً از خانواده گريز از مركز مي‌باشند.

دمنده‌ها ( Blowers )

دمنده‌ها نوع خاصي از كمپرسورها بوده كه فشار نسبتاً كم و دبي نسبتاً زياد دارند. حداكثر فشار قابل دسترس توسط آنها (۲ـ۵∕۱بار) مي‌باشند. دمندهاي با فشار كم و دبي زياد از نوع گريز از مركز ساخته مي‌شوند. حال آنكه براي فشارهاي بالا ( نزديك به ۲ بار) و دبي كمتر نوع دوراني (Rotary) متداول‌تر مي‌باشد. ساخت دمنده‌هاي از نوع تناوبي (رفت و برگشتي) عملاً منتفي است.

كمپرسورها (Compressors)

كمپرسورها عموماً براي فشارهاي بالا (بيشتر از 2 بار) مورد استفاده قرار مي‌گيرند. امروزه كمپرسورهايي ساخته شده‌اند كه قادر به تراكم گازها تا فشار bar600 مي‌باشند.

دسته‌بندي كمپرسورها از نظر رفتاري

برحسب چگونگي فرآيند تراكم، كمپرسورها به دو دسته تقسيم‌ مي‌شوند:

الف: كمپرسورهاي جابه‌جايي مثبت (Positive Displacement)

ب: كمپرسورهاي گريز از مركز (Centrifugal)

در كمپرسورهاي جابه‌جايي مثبت، همواره مقدار معيني از گاز بين دو قطعه به تله انداخته شده و با كاهش حجم محفظه، فشار گاز افزايش مي‌يابد. اين كمپرسورها خودبه‌خود به دو دسته تناوبي (Reciprocating) و دوراني (Rotary) تقسيم مي‌شوند. البته هر يك از دسته‌هاي فوق تنوع زيادي در شكل و ساختار مكانيكي داشته ولي از لحاظ رفتاري داراي ويژگي‌هاي نسبتاً يكساني هستند.

در كمپرسورهاي جريان پيوسته، (گريز از مركز)، ابتدا انرژي جنبشي گاز مورد تراكم پيوسته در پروانه افزايش داده شده و سپس بخش اعظمي از انرژي جنبشي آن در يك مجراي گشاد شونده بنام حلزوني (Volute) به انرژي پتانسيل (فشار) تبديل مي‌شود.